香港大学生物医学工程师通过新型高速显微镜捕捉脑部神经活动，在神经成像领域取得重大突破

我们的大脑包含成百上千的神经细胞（神经元），它们通过发送化学和电子闪光而持续不断地相互交流，每次持续一毫秒（0.001秒）。在每毫秒中，这些数十亿次快速闪烁的闪光会在大脑中的巨大星图中传播，从而照亮曲折的闪光图案。它们是所有身体功能和行为的起源，例如情感，知觉，思想，行为和记忆。以及在异常情况下的脑部疾病，例如阿尔茨海默氏病和帕金森氏病。

在21世纪，神经科学面临的一大挑战是捕捉神经活动的这些复杂的闪烁模式，这是对大规模大脑范围相互作用的全面理解的关键。实时捕捉这些迅速飞行的信号一直是神经科学家和生物医学工程师的挑战。这将需要一个高速显微镜进入大脑，这到目前为止是不可能的。

由香港大学（HKU）电气与电子工程学系副教授，生物医学工程学学士课程主任，项目负责人Kevin Ksia博士领导的研究团队；加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系的吉娜教授（UC Berkeley）通过其超高速显微镜-两光子荧光显微镜提供了一种新颖的解决方案，该显微镜已成功记录了毫秒级的电信号。警报老鼠的神经元。

与需要将电极插入脑组织的传统方法相比，该新技术对被测动物具有最小的侵入性。这不仅减少了对神经元的损害，而且还可以精确定位单个神经元并追踪毫秒级的放电路径。

这项开创性工作的结果最近发表在学术期刊《自然方法》上。该项目由美国国立卫生研究院资助

高速显微镜的核心是一种创新技术，称为FACED（自由空间角-增强延迟成像），这是蔡博士团队先前开发的（注释1）。FACED利用一对平行的反射镜产生激光脉冲簇，以产生超快的扫掠激光束，其速度比现有的激光扫描方法快至少1,000倍。

在实验中，显微镜将一束扫掠激光投射到老鼠的大脑上，每秒捕获一个老鼠大脑层（新皮层）的1000到3,000次全二维扫描。为了探测在神经元之间脉动的真正电信号，研究小组将由斯坦福大学的Michael Lin博士开发的生物传感器（蛋白质分子）插入到小鼠大脑的神经元中。

“只要电压信号通过神经元，这些工程蛋白就会发光（或发出荧光）。然后，发射的光被显微镜检测到并形成2D图像，从而可视化这些电压变化的位置。”

他补充说：“这确实是一个令人兴奋的结果，因为我们现在可以窥探曾经被遮盖的神经元活动，并且可以为了解脑功能以及更重要的是脑疾病提供基本线索。”

除电信号外，该团队还使用显微镜捕获了老鼠大脑中化学信号的慢速运动，例如神经递质的钙和谷氨酸，距大脑表面深达三分之一毫米。

该技术的显着优势是能够跟踪不会触发神经元放电的信号-通常难以捕获和检测到的微弱的神经元信号（称为亚阈值信号），这在许多疾病情况下也可能发生。大脑，但由于缺乏像团队开发的那样的高速技术，因此尚未进行详细研究。

新技术的另一个重要特征是它是微创的。记录大脑中电击发的经典方法是将电极物理地嵌入或植入大脑组织中。但是，这种物理入侵可能会损坏神经元，并且只能检测到来自几个神经元的模糊信号。

“到目前为止，这是一种独一无二的技术，可以检测活脑中单个神经元的毫秒级变化活动。因此，我想这是神经科学研究的基础，可以更准确地“解码”大脑信号。” Tsia博士说，研究小组将致力于提高显微镜的功能。

“我们正在努力进一步结合其他先进的显微镜技术，以更高的分辨率，更宽的视野和更深的大脑皮层（约1毫米）深入大脑成像。这将使我们能够更深入地探究大脑，以更好，更全面地了解大脑的功能。” 他加了。